一种TiS2为正极的铝离子二次电池及其制备工艺制造技术

本发明专利技术属于新型绿色能源电池技术领域，具体公开了一种TiS2为正极的铝离子二次电池及其制备工艺，该体系采用锂离子电池“摇椅电池”的概念，以TiS2及其复合材料为正极材料，以金属铝或含铝合金为负极，以含有Al3+离子的非水溶液为电解液。采用绝缘的软包包裹或筒状容器装配电池正负极及其电解液等。本发明专利技术所提供铝离子二次电池能够反复充放电、具有高容量、稳定性好，而且绿色环保，安全无污染，非常有望成为一种环境友好的电化学储能体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种TiS2材料为正极的铝离子二次电池及其制备工艺，属于新型绿色能源电池

技术介绍
随着社会的发展和人口数量的持续增加，全球能源需求不断提高，导致能源危机和环境污染日益加剧。因此，开发出一种可再生能源，从而解决资源和环境问题已成为关乎人类社会可持续发展的两大重要课题。开发和利用太阳能、风能和地热能等可再生能源，逐步摆脱了人类对化石能源的依赖，但是这些可再生能源的开发需要建设配套的储能装置，这既增大了使用投资成本，也无法保障供电的连续性和稳定性。在目前的储能体系中，化学储能由于效率高、灵活性好等优点而受到了众多研究者的青睐。锂离子电池作为高能电池体系，在便携式电子产品、电动工具和电动汽车等领域得到了快速发展。但是由于锂资源的局限导致成本昂贵以及较大的安全隐患限制了锂离子电池的进一步发展。因此，开发出一种自由丰富，成本低廉，安全性能高的储能电池体系，是未来解决储能应用的必然出路。与锂相比，铝是地球上蕴藏量最丰富的金属，其地壳丰度位居第三。铝离子充电电池交换3价的Al3+，因此其比容量有很大的开发潜力。此外，由于其具有更低的反应性，所以铝离子电池可以节约大量成本并大大提高电池安全性能。从而基于铝离子脱嵌的多价离子电池有望用于大规模储能设备。Jayaprakash等于2011年采用过渡金属氧化物V2O5作为铝离子电池的正极材料，（文献：JayaprakashN,DasSK,ArcherLA.Therechargeablealuminum-ionbattery[J].Chem.Commun.,2011,47(47):12610-12612）。研究发现，其首圈放电比容量约为300mAhg-1，20圈后剩余270mAhg-1，但是其放电电位仅为0.55Vvs.Al3+/Al。Liu等在2012年同样采用TiO2金属氧化物作为铝离子电池的正极材料，（文献：LiuS,HuJJ,YanNF,etal.AluminumstoragebehaviorofanataseTiO2nanotubearraysinaqueoussolutionforaluminumionbatteries[J].EnergyEnviron.Sci.,2012,5(12):9743-9746)，研究发现其放电电位也较低，仅为0.67Vvs.Al3+/Al，且循环15圈后，其比容量仅为70mAhg-1。焦树强等于2014年申请了中国专利技术专利No.CN201410419495.1报道了采用石墨类碳质材料作为铝离子电池的正极材料，高纯铝为负极材料的一种可充电铝离子二次电池。并在2015年申请了中国专利技术专利No.CN201510188866.4报道了采用石墨结构碳材料作为铝离子二次电池正极材料的铝离子软包电池的制备工艺。该课题组对这一系列材料及工艺进行了大量的相关研究工作，采用碳纸作为铝离子电池正极材料，循环100圈后，其剩余比容量高达67mAhg-1，而且有较高的循环稳定性能（文献：SunH,WangW,YuZ,etal.Anewaluminium-ionbatterywithhighvoltage,highsafetyandlowcost[J].Chem.Commun.,2015,51(59):11892-11895）。最近，斯坦福大学的Dai等人发表在《Nature》杂志上的一篇名为“一种超快可充电铝离子电池”的文章再次引起了广泛的关注（文献：LinMC,GongM,LuB,etal.Anultrafastrechargeablealuminium-ionbattery[J].Nature,2015），研究采用热解石墨和3维石墨泡沫作为铝离子电池正极材料，其比容量稳定在60mAhg-1以上。但是迄今为止的专利及文献尚未报道关于TiS2及其复合材料作为正极及用这种正极的铝离子二次电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可取代锂离子电池的新型铝离子二次电池，即采用一种TiS2为正极的铝离子二次电池及其制备工艺。为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种TiS2为正极的铝离子二次电池，由正极、负极、隔膜、电解液、惰性金属集流体和电池包装外壳组成，所述正极的材料为微米级或纳米级TiS2、导电材料和粘结剂组成的复合材料，负极为金属铝及其铝合金，电解液为含有Al3+离子的非水溶液。进一步，所述正极的材料的各组分的质量百分比为：TiS2的质量分数为60-90%，导电材料的质量分数为10-40%，粘结剂的质量分数为0-10%。进一步，所述导电材料为碳质材料或金属浆料，所述碳质材料包括乙炔黑、石墨烯、无定形碳、导电碳黑或超级碳；所述金属浆料包括铂浆或银浆。进一步，所述导电材料为石墨烯时，导电材料的质量分数为10-20%，TiS2的质量分数为70-85%，粘结剂的质量分数为5-10%；所述导电材料为乙炔黑、无定型碳、导电碳黑或超级碳时，导电材料的质量分数为20-40%，TiS2的质量分数为40-75%，粘结剂的质量分数为5-10%；所述导电材料为金属浆料时，导电材料的质量分数为10-40%，TiS2的质量分数为60-90%。进一步，所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种的混合物。进一步，所述负极材料为纯度大于90%的金属铝或金属铝与铜、铁、镍、铅、铋、锡、银形成的合金。进一步，所述含Al3+离子的非水溶液中包括卤化铝和离子液体，所述卤化铝和离子液体的摩尔比为0.4-2.4:1。进一步，所述离子液体的阴离子包括F-，Cl-，Br-，I-，PF6-，CN-，SCN-，[N(CF3SO2)]-或[N(CN)2]-离子；阳离子包括咪唑嗡离子、吡啶嗡离子、吡咯嗡离子、哌啶嗡离子、吗啉嗡离子、季铵盐离子、季磷盐离子或叔硫盐离子。本专利技术的另一目的是提供制备上TiS2为正极的铝离子二次电池的方法，具体包括以下的制备步骤：步骤1：将原料包括TiS2、导电材料和粘结剂按照设计分别称取均匀混合，置于烘箱里，在温度为60-100℃下烘至凝胶状物，然后将凝胶状物均匀的涂抹在的惰性金属集流体上，制成厚度为0.1-1mm片状复合正极材料，将复合正极材料用隔膜包裹，即得到正极材料；步骤2：将厚度为0.1-1mm的金属铝或铝合金，用细砂纸打磨清洗后，干燥，即得到负极材料；步骤3：将卤化铝和离子液体以摩尔比为0.4-2.4:1在分别称取，在氩气环境的手套箱内混合，静置24小时以上，即配制成含有可自由移动的含铝离子非水溶液电解液；步骤4：最后将步骤1得到的正极材料和步骤2得到负极材料与步骤3得到的含铝离子非水溶液电解液在手套箱内组装成，得到软包铝离子电池软包或者筒状电池，即TiS2为正极的铝离子二次电池；步骤5：电池组装好后，待电解液全部润湿电极片后再进行充放电测试。进一步，步骤1中，所述隔膜为聚烯烃微孔膜隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纤维材料中的一种；所述惰性金属集流体包括钽片、铌片、钼片、钛片、泡沫镍或金及铂族金属。本专利技术的有益效果是：由于采用上述技术方案，本专利技术使用TiS2材料作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiS2为正极的铝离子二次电池，由正极、负极、隔膜、电解液、惰性金属集流体和电池包装外壳组成，其特征在于，所述正极的材料为微米级或纳米级TiS2、导电材料和粘结剂组成的复合材料，负极为金属铝及其铝合金，电解液为含有Al3+离子的非水溶液。

【技术特征摘要】
1.一种TiS2为正极的铝离子二次电池，由正极、负极、隔膜、电解液、惰性金属集流体和电池包装外壳组成，其特征在于，所述正极的材料为微米级或纳米级TiS2、导电材料和粘结剂组成的复合材料，负极为金属铝及其铝合金，电解液为含有Al3+离子的非水溶液。
2.如权利要求1所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述正极的材料的各组分的质量百分比为：TiS2的质量分数为60-90%，导电材料的质量分数为10-40%，粘结剂的质量分数为0-10%。
3.如权利要求2所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述导电材料为碳质材料或金属浆料，所述碳质材料包括乙炔黑、石墨烯、无定形碳、导电碳黑或超级碳；所述金属浆料包括铂浆或银浆。
4.如权利要求3所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述导电材料为石墨烯时，导电材料的质量分数为10-20%，TiS2的质量分数为70-85%，粘结剂的质量分数为5-10%；所述导电材料为乙炔黑、无定型碳、导电碳黑或超级碳时，导电材料的质量分数为20-40%，TiS2的质量分数为40-75%，粘结剂的质量分数为5-10%；所述导电材料为金属浆料时，导电材料的质量分数为10-40%，TiS2的质量分数为60-90%。
5.如权利要求1所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种的混合物。
6.如权利要求1所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述负极材料为纯度大于90%的金属铝或金属铝与铜、铁、镍、铅、铋、锡、银形成的合金。
7.如权利要求1所述的TiS2为正极的铝离子二次电池，其特征在于，所述含Al3+离子的非水溶液中包括卤化铝和离子液体...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦树强，王帅，余智静，王俊香，雷海萍，李海滨，
申请(专利权)人：北京金吕能源科技有限公司，甘肃鑫吕能源材料有限公司，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11